SAMI2物理模型與東亞扇區GPS TEC數據比較研究

胡艷莉, 徐彤, 朱夢言, 鄧忠新

(中國電波傳播研究所 電波環境特性及模化技術重點實驗室,山東 青島 266107)

0 引 言

全球衛星導航系統(GNSS)主要有美國的GPS、俄羅斯的GLONASS、中國的北斗衛星導航系統(BDS)等. 這些定位系統都位于20 000 km以上,導航信號的傳輸都經過電離層,不可避免地會受到電離層效應的影響[1-2]. 電離層效應誤差已成為導航定位的主要誤差源,其一階折射誤差正比于電離層電子濃度總含量(TEC). 電離層TEC監測預報研究已成為空間天氣服務研究的重要內容[3]. 因此,開展現有電離層模型TEC計算精度評估,非常重要.

目前電離層模型主要有兩類:1)基于觀測數據,建立與太陽活動指數等控制因素線性或非線性關系的經驗模型,如美國國際參考電離層(IRI)[4],歐洲的Nequick[5]等;2)基于“第一原理” (first principle),通過模擬電離層中的各種物理及化學過程,揭示電離層的行為機理的物理模型. 相比于經驗模型,理論模型可以幫助人們理解電離層的物理化學過程. 基于電離層物理模型的數據同化數值預報已成為空間天氣領域提高電離層預測能力,滿足衛星導航與通訊需求的主流技術方向[6]. 目前,較為著名的電離層物理模型有美國大氣研究中心的TIMEGCM(Thermosphere-Ionosphere-Mesosphere-Electrodynamics General Circulation Model)[7]、英國謝菲爾德大學的SUPIM (Sheffield University Plasmasphere Ionosphere Model)[8]、俄羅斯的GSMTIP (Global Model of the Thermosphere-Ionosphere-Protonsphere)[9],以及美國海軍實驗室SAMI2 (Sami2 is Another Model of the Ionosphere)[10]模型等. 其中,SAMI2模型是目前為數不多的開源物理模型之一,已廣泛應用到電離層對太陽耀斑、磁暴、地震、高頻電波加熱等響應的物理機制研究中. 然而,目前對該模型精度評估的研究較少. Huba等[11]開展了該模型與1999年11月24日07:28 UT-08:03 UT ARGOS(Advanced Research and Global Observation Satellite)衛星數據對比,發現氧原子離子O+密度、NmF2與觀測值吻合較好,但對比數據量有限,不具有統計意義,且局限在美洲扇區. 在其他太陽活動年份(如低年),其他經度扇區模型精度還需進一步檢驗.

電離層物理模型的精度對數值預報準確性有著重要的影響. 本文利用國際GNSS服務(IGS)電離層TEC數據,檢驗SAMI2模型在東亞扇區三個站點(覆蓋中低緯度及赤道地區)的TEC計算精度,為基于SAMI2模型構建背景誤差分布特征及開展該區域電離層數值預報研究可行性提供理論支持.

1 數據獲取及模型介紹

地面GPS雙頻接收機在每一時間歷元都能接收到多顆衛星發射的雙頻相干信號,可以提取電離層TEC信息,為了減少低仰角帶來的電離層TEC測量誤差,本文設定衛星觀測截止仰角為45°. 首先,采用載波平滑碼偽距方法計算出每一時間歷元每一衛星信號傳播路徑上的電離層斜向TEC(sTEC). 然后,依據電離層薄殼模型,取電離層電子密度質心高度為400 km,將sTEC轉換為穿刺點的電離層垂直TEC (vTEC). 最后,對15 min時間間隔內的所有穿刺點的vTEC,采用Kriging插值方法擬合出各觀測站上空每15 min的vTEC數據[12]. 電離層TEC的單位為TECU (1 TECU=1016electrons/m2). 按照上述方法,對東亞扇區覆蓋中低緯及赤道地區的Beijing,Wuhan和Guam三個GPS觀測站的數據進行分析處理,構建了相應的電離層vTEC數據(GPSTEC). 各觀測站地理及地磁位置如表1所示. 為了分析結果能夠覆蓋不同太陽活動,選擇2014年和2017年的數據進行對比分析.

表1 GPS觀測站位置

SAMI2是美國海軍實驗室(NRL) 發展的一個二維低緯電離層理論模式[10]. 該模式考慮了七種帶電離子(O+, H+, He+, O2+, NO+, N+, N2+),可以計算距地面85 km到20 000 km區域的等離子體密度、速度和溫度. 模式沿磁力線求解等離子體連續性方程、動量方程和能量方程,結合離子數守恒和通量守恒原理考慮等離子體在電場磁場作用下的運動. 模式的地磁場采用偏心偶極場近似,太陽極紫外(EUV)輻射通量使用EUVAC模型,利用NRLMSISE00和HWM93經驗模型提供背景中性大氣密度、溫度和風場,電場漂移采取Fejer經驗模型計算. SAMI2與其他理論模式相比最大的特點是在離子動量方程中考慮了離子慣量. 本文利用SAMI2 模擬計算了表1中三個GPS觀測站的電離層TEC(SAMI2TEC),與GPSTEC進行對比分析.

2比較結果

以太陽活動高年為例,對比SAMI2模擬電離層TEC結果與GPSTEC的周日變化特性. 圖1示出了2014年3月、6月、9月、12月各站電離層TEC月中值與SAMI2模擬結果的對比. 圖中藍色圓點為GPSTEC數據,實線為月中值,虛線為以當月F107中值為SAMI2輸入參數的模型計算結果,點線為SAMI2TEC和GPSTEC的均方根誤差 (RMSE):

RMSE=1n∑ni=1(TECSAMI2(i)-TECGPS(i))2，

(1)

式中:n為該時刻樣本個數;TECSAMI2和TECGPS為模擬和觀測電離層TEC.

Beijing站夏季和秋季SAMI2TEC與實際觀測數據差別較大,春季和冬季吻合較好,兩條曲線非常接近,具有一致的周日變化趨勢,～06:00 LT出現極小值,隨后逐漸增大至～14:00 LT出現極大值. Beijing站冬季RMSE極大值僅為8 TECU. 在Wuhan站,SAMI2TEC與GPSTEC差別較大,尤其是在午后時段,春秋季,SAMI2TEC出現日落增強現象,而GPSTEC持續下降. Guam站在上午時段,SAMI2TEC與GPSTEC基本一致,～06:00 LT出現極小值,在～13:00 LT達到極大值,相比觀測數據,SAMI2TEC午后下降緩慢,模擬值明顯大于觀測值. 總體上,從RMSE日變化趨勢來看,SAMI2TEC午前時段表現優于午后. 電離層TEC的周日變化與太陽的作用有關,日出后由于太陽輻射的增強,中性成分光電離增強,電離層電子密度開始增大,TEC隨之增大,增大的速度與地理位置、季節等多種因素有關,通常在正午附近達到極大值,持續一段時間,隨后逐漸減小[13]. 太陽活動高年,日落前,赤道附近的電場增強,通過與地球磁場的共同作用導致等離子體垂直漂移增強,由此引起的傳輸效應在日落后的數小時內影響低緯電離層,從而造成日落至午夜TEC依然維持在較高水平,即日落增強現象. 太陽活動低年,該電場較弱,日落后低緯電離層TEC持續下降[14].

圖1 2014年電離層TEC周日變化

圖2 2014年和2017年12:00 LT電離層TEC季節變化

季節變化是電離層TEC的一個重要特征. 圖2示出了2014年和2017年三站電離層TECSAMI2模擬結果與觀測數據的季節變化(年變化)對比. 圖中,藍色圓點為GPS電離層TEC,實線為月中值,虛線為SAMI2模擬的電離層TEC,點線為二者RMSE. 從觀測數據來看,各站季節變化規律類似,電離層TEC均表現出明顯的半年和季節變化特征,即在春秋季高于冬夏季(半年異常),冬季TEC高于夏季(冬季異常),太陽活動低年,Beijing站和Wuhan站年變化較為平緩. SAMI2TEC與GPSTEC季節變化趨勢一致,春秋出現雙峰,年極小值出現在夏季. 另外,太陽活動高年和低年模擬值在Guam站均與觀測吻合較好,在Beijing站和Wuhan站,SAMI2模擬的TEC明顯高于GPSTEC,僅在冬季差別較小. 電離層TEC的半年異常現象較為明顯,由于在春秋季期間,太陽直射點在赤道地區,此時太陽輻射產生的光電離作用達到最強,白天東向電場也最強,二者共同導致電離層電子密度增多,春秋季白天的電子密度比冬夏大. 太陽活動強度對季節異常現象有一定影響,太陽活動高年季節變化更顯著[13]. Rishbeth等[15]認為,熱層大氣中O和N2密度比的變化導致了電子密度的變化. 夏季區流向冬季的大氣環流將相對較輕的氧原子O吹向冬季區,而相對較重的氧分子O2和氮分子N2不易被吹走,留下較多. 結果是夏季區域中氧原子較少,冬季區域中氧原子相對增多,所以造成電子密度的“冬季異常”現象.

圖3是以IGS觀測數據為x軸,SAMI2模擬數據為y軸的相關性散點圖,實線為對數據點做的線性擬合,r為散點圖的相關系數.太陽活動高年及低年各站相關系數均在0.87以上,僅從2014及2017兩年的數據來看,太陽活動. 磁赤道地區的Guam站相關性最好,太陽活動高年,相關系數達到0.97,SAMI2在接近磁赤道地區表現最優. 另外,圖中實線均在虛線上方,絕大部分數據散點位于虛線上方,意味著SAMI2TEC大于實際觀測GPSTEC,這在圖1和圖2中也有所體現. 圖4是SAMITEC觀測數據相對偏差分布直方圖，計算公式為.

Dev(%)=TECSAMI2-TECGPSTECGPS×100%.

(2)

圖3 SAMI2 TEC與GPS TEC相關性

圖4 電離層TEC相對偏差分布

同樣地,僅有很少部分相對偏差分布在零點左側. 也就是說,無論太陽活動強弱,本文所選三站電離層TEC模擬時,SAMI2模型均有不同程度高估. Fang等[16]將電離層模型結果與實測數據進行了對比,發現SAMI2模擬的電離層F2層最大電子密度NmF2高于實測值. SAMI2模型中,激發態氮氣N2(ν)對電離層中的主要成分O+損失的影響被忽略,對亞穩態氮原子N(2D)的考慮也過于簡單,這可能是SAMI2對TEC的計算結果明顯大于實測數據的原因之一. 另外,太陽活動低年偏差分布相對集中,在20%～30 %. 而太陽活動高年,Guam站與低年有類似分布,Beijing站和Wuhan站TEC相對偏差在0%～200%均有分布. 因此,物理模型SAMI2在赤道地區Guam站表現最優.

3 結束語

本文利用美國海軍實驗室電離層物理模型SAMI2模擬了太陽活動高年2014年和太陽活動低年2017年東亞扇區Beijing (40.3 °N, 116.2 °E)、Wuhan (30.5 °N, 114.4 °E)和Guam (13.6 °N, 144.8 °E)站的電離層TEC,通過與GPS觀測數據IGSTEC進行對比分析,檢驗SAMI2在此區域的TEC計算精度. 獲得的主要結果總結如下:

1)電離層TEC周日分布上,上午時段SAMI2與觀測數據吻合度優于午后時段.

2)電離層TEC季節分布上,SAMI2TEC在冬季與觀測值偏差相對較小.

3)SAMI2TEC與GPSTEC相關系數各站均達到0.87以上,與赤道地區Guam站相關性最好. 相對偏差分布集中于20%～30%,太陽活動低年結果優于太陽活動高年.

4)多數情況下,SAMI2TEC相對GPSTEC偏大.

以上分析初步獲取了電離層物理模型SAMI2的誤差特性,為模型的應用提供了先驗誤差信息. 然而,本研究在統計意義上尚不夠完善,下一步計劃利用更多的觀測數據獲取更具統計意義的SAMI2模型誤差統計特性.